La produzione sostenibile di ammoniaca

L’azoto è uno degli elementi più importanti per la nostra vita sulla terra; gli organismi viventi necessitano la sua assimilazione per la formazione di biomolecole fondamentali. Esso può presentarsi in diversi stati di ossidazione e quindi in diverse sostanze, quali l’ammoniaca, NH3, che ne rappresenta una delle forme più importanti. L’ammoniaca è una molecola semplice ma fondamentale per la vita di tutti gli organismi viventi; essa trova impiego in numerosi settori, dall’industria dell’acido nitrico alla produzione dei fertilizzanti, fondamentali per assicurare un’agricoltura al passo con la sempre crescente popolazione mondiale. La forma elementare dell’azoto, N2, non è però assimilabile dalla maggior parte degli organismi viventi; è necessaria dunque la sua conversione in forme reattive: si parla cioè di N reattivo, che comprende specie con diverso stato di ossidazione. Questa conversione può avvenire principalmente attraverso 3 vie: la via biologica, la via industriale (quella che verrà approfondita) e la via atmosferica. Date le caratteristiche termodinamiche e cinetiche della reazione di sintesi dell’NH3, solamente pochissimi organismi viventi sono in grado di prodursela autonomamente, grazie ad un particolare enzima che possiedono, la nitrogenasi. Dall’inizio del XX secolo, la necessità di produrre ammoniaca su larga scala derivò da una sempre crescente domanda di esplosivi. Così, i migliori chimici in circolazione si misero all’opera. Dopo anni di ricerca, Fritz Haber, Carl Bosch e Alwin Mittasch, diedero vita al processo Haber-Bosch. Ma al processo H-B, tutt’ora in utilizzo come fonte principale di ammoniaca, è legato un fortissimo impatto ambientale: ogni anno, da questo processo, viene generata una quantità enorme di CO2, che viene poi emessa in atmosfera. Ma non solo, bisogna prendere in considerazione anche come tutto questo si ripercuote su un ciclo fondamentale per il nostro pianeta, il ciclo dell’azoto, da cui possono derivare ulteriori problemi molto importanti, come ad esempio l’eutrofizzazione, le piogge acide, l’emissione degli ossidi di azoto NOx, le maree rosse, etc. Ed è per questo che negli anni si è ricercato un processo che possa soddisfare dal punto di vista industriale quello H-B, ma con un’impronta ecologica e sostenibile per il nostro pianeta. Quello ambientale è diventato dunque un punto di fondamentale importanza nel campo della sintesi industriale dell’ammoniaca: ad oggi le direzioni di ricerca in questo campo sono numerosissime, alcune molto promettenti, ma comunque ancora ben lontane da una possibile applicazione su larga scala. Così le direzioni di ricerca che sono state scelte come più interessanti e che verranno analizzate nel documento sono promettenti per il futuro, ma molto lontane dall’applicazione su larga scala: la riduzione dell’N2 attraverso un processo mediato da litio e basato su uno shuttle di protoni, la sintesi dell’ammoniaca tramite dei reattori a membrana e la sintesi direttamente da aria e acqua evitando 2 importanti stadi. Molto importante, come si noterà nella descrizione di questi processi, è il concetto, relativamente innovativo, di ‘sintesi elettrochimica’, un’idea sintetica in continua evoluzione e che negli ultimi anni ha preso molto piede nel campo della sintesi alternativa dell’ammoniaca. Tutti i principali ed i più innovativi processi relativi a questa ricerca infatti si basano proprio su questo concetto di sintesi.